CN115161561B - 一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其是涉及一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板及其制备方法，该制备方法对钢中的Ti含量等合金元素进行合理成分配比设计，充分考虑各合金元素的作用机理；同时针对中厚板产线装备、工艺特点，开发一种能有效发挥Ti的细化晶粒、析出强化作用的提高钢板综合性能的工艺控制方法；相关产品内部质量良好，同时大幅度降低碳当量，极大地提高了产品的焊接性能，钢板各项力学性能及加工性能可满足风电塔筒、建筑结构、化工搪瓷反应釜等设备及其它高端装备对专用钢铁材料的需求。

Description

一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其是涉及一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板及其制备方法。

背景技术

钢板中常见的钛含量是微钛（Ti=0.010-0.020%）处理，钢种加钛的主要作用是在铸坯中形成具有高温稳定性的TiN粒子以抑制铸坯再加热过程中的原始奥氏体晶粒长大，以及抑制焊接HAZ晶粒长大提高HAZ的韧性。而高钛（Ti在0.040%以上）含量的添加，其作用主要通过TiC在热轧阶段形变诱导析出TiC粒子抑制再结晶、相变中及后期析出纳米级粒子起强烈的沉淀强化作用，这也是热连轧生产线利用卷曲过程对TiC析出进行控制、进而明显提高卷板强度的一个关键强化因素，因此国内外在热连轧领域利用钛强化开发高强钢的技术比较成熟，成为替代其它贵重合金元素的有效方法。

例如公开号CN1962099A的发明专利中记载了一种基于薄板坯连铸连轧流程采用Ti微合金化工艺生产700MPa级高强耐候钢的方法，该生产方法包含薄板坯连铸、六机架热连轧、层流冷却、卷曲工艺，采用低碳+高钛（0.08-0.14%）+Cu+Cr+Ni成分生产1.5-8mm屈服强度700-780MPa的高强耐候钢。

公开号CN101538681A的发明专利中记载了一种生产屈服强度700MPa级高强钢的方法，其生产方法是将0.10～0.15%Ti+Nb+V成分含量的钢，经薄板坯连铸-7机架热连轧-层流冷却-卷取后，获得成品板厚度为1.4～9.0mm的高强钢卷，且其屈服强度范围在690MPa～760MPa。

公开号CN104263889A的发明专利中记载了一种提高厚度≥ 10mm含钛高强钢冲击韧性的方法。该专利方法含Ti不低于0.06%，采用冷却、卷取工艺，满足10mm以上规格钢板强度的前提下，-20℃的冲击功不低于55J。

而在中厚钢板领域，目前对高钛合金含量的应用研究少见报导，也缺少与热连轧生产线一样通过卷曲保温过程来促进重要的TiC析出的这一关键工序条件来保障，目前暂无有效经验可以借鉴。因此高钛含量的中厚钢板如何保证其高强度、塑韧性指标等综合性能既能达到用户的高标准要求，又能实现成分体系的创新达到降成本的目的，迫切需要创新一种钢的成分体系，进行合理成分配比设计，充分考虑各合金元素的作用机理；同时针对中厚板产线装备、工艺特点，开发一种能有效发挥Ti的细化晶粒、析出强化作用，提高钢板综合性能的工艺控制方法，实现风电塔筒、建筑结构、化工搪瓷反应釜等设备及其它高端装备专用钢铁材料的配套开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板，合理设计强化元素C、Mn、Ti、Nb（V）的配比，钢板具有优良强韧性能；本发明的另一目的在于提供一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板的制备方法，改变传统热连轧通过卷曲工序控制Ti的析出的传统生产工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板，包括以下重量百分比的组分：0.03%～0.06%的C；0.02%～0.20%的Si；0.50%～1.00%的Mn；P≤0.012%；S≤0.005%；0.035-0.065%的Al；0.06-0.12%的Ti；Nb、V中的一种或两种，重量百分比为0-0.030%；其余为Fe和不可避免的杂质；钢板屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥500MPa，伸长率≥25%，屈强比≤0.90，-20℃横向冲击功≥120J。

一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板的制备方法，包括以下步骤：

（a）转炉吹炼: 一次拉碳至终点要求的碳范围；

（b）LF、RH精炼处理：LF采用CaC₂等造渣料造渣，配加钛铁合金一次到位；

（c）板坯连铸：使用高碱度覆盖剂，连铸阶段采用强冷模式；

（d）加热阶段：钢坯加热按1.1-1.3min/mm控制，均热温度比通用型钢增加30-50℃；

（e）轧制阶段：中间坯冷却时待温度≤900℃开始精轧，终轧温度820-860℃；

（f）冷却阶段：轧制后的钢板直接进行水冷处理，开冷温度Ar3+20～50℃，终冷650-700℃，采用弱水冷进行冷却。

进一步地，所述步骤（b）中配加钛铁合金要求在RH处理工序加入，加入量按照0.9-1.8公斤/吨钢控制。

进一步地，所述步骤（c）中，连铸阶段二冷水的比水量比通用型钢增加30%。

进一步地，所述步骤（f）中，弱水冷是指冷速控制在4-8℃/s。

为获得本发明的高Ti含量钢的高的强韧化性能指标，为发挥TiN、TiNb(C、N)、TiC等析出物的作用，必然要合理设计钢中C、Nb（V）、Ti等合金元素的配比，保证在凝固、固溶的各个阶段析出要求的析出物，起到明显的细化晶粒、弥散析出强化、固氮作用。但在高温阶段的大量的TiN、TiNb(C、N)化物在连铸、凝固过程中集中在柱状晶或奥氏体的晶界析出,会形成大尺寸的脆性相，由于其固溶温度较高，后续加热过程很难重新固溶析出，大尺寸析出以夹杂物的形式遗传至最终成品，影响到钢的韧性，且降低了有益的低温铁素体阶段析出的TiC析出物的量，起不到应有的微合金元素的强化作用，因此本发明通过对C、Ti、Nb(V)含量进行控制，进而对C、N化物二相粒子析出温度、形貌、数量的控制，形成直接热轧无需卷曲生产高强韧性厚钢板的独特的成分控制。

本发明成功开发高Ti含量高质量铸坯专用控制技术：由于Ti的存在形式受钢中O、S、N含量的强烈影响，很容易与这些元素化合，在加Ti之前钢水必须充分脱氧、脱硫、定氮，这成为冶炼高Ti含量钢的关键所在。因此冶炼纯净钢是本发明技术成功的关键。为获得有效Ti含量，需要对转炉冶炼、精炼、连铸过程的氧、硫、氮进行合理控制，确保添加Ti合金时钢水纯净、夹杂物充分上浮、改善高温阶段Ti析出物的分布形态与大小等，为发挥低温阶段TiC的析出创造条件。

本发明独特的轧制、冷却工艺设计体现了结合Ti的碳氮化物在重新加热过程中的固溶、析出特点，并结合Ti与钢中晶体缺陷、晶界等的相互作用机理，通过工艺参数对应设计，控制钢的加热、变形累积、相变过程，实现厚钢板良好的工艺性能、力学性能、组织状态，提高钢材整个厚度断面的性能均匀性。

因此本发明合理利用Ti合金元素强化机理，调整成分设计思路，形成新的低合金成分体系，成分体系中添加适量的Ti合金，充分利用高温析出TiN阻止加热时奥氏体晶粒长大，降低因晶粒粗大等造成的产品低温韧性低、性能不均匀、探伤不合等缺陷，提高产品内部质量；通过低温阶段Ti与钢中的C原子结合，形成TiC析出相来抑制再结晶及形成沉淀强化来提高强度；由于TiC的沉淀强化作用，可以大幅度降低C、Mn含量，也从设计源头上降低铸坯的中心偏析，提高铸坯内部质量；同时由于大幅度降低了碳当量，极大地提高了产品的焊接性能，从而得到了晶粒度细化、均匀，各项物理性能及加工性能良好的经济高效型高强韧低合金结构钢。

本发明具有以下有益效果：本发明钢成分体系充分考虑Ti高温析出阶段细化晶粒、低温阶段析出强化作用，合理设计强化元素C、Mn、Ti、Nb（V）的配比，钢板具有优良强韧性能；本发明的制备方法创造性提出控制Ti的各阶段析出物类型、大小，进而改善高Ti合金添加后强韧性能的工艺控制方法，可以直接生产高强韧性的厚钢板，改变了传统热连轧通过卷曲工序控制Ti的析出的生产工艺；成分与工艺的制定具有独特性，形成了独特成分设计、合金添加时机、工序设计、析出物控制、轧制规程优化确保提高高Ti含量钢强韧性能的实用控制技术。不仅大大降低了成本，提高了生产效率，而且能很好地满足批量化生产的要求。

附图说明

图1为本发明中实施例1得到的12mm板厚1/2处金相组织图。

图2为本发明中实施例2得到的50mm板厚1/2处金相组织图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板，包括以下重量百分比的组分：0.03%～0.06%的C；0.02%～0.20%的Si；0.50%～1.00%的Mn；P≤0.012%；S≤0.005%；0.035-0.065%的Al；0.06-0.12%的Ti；Nb、V中的一种或两种，重量百分比为0-0.030%；其余为Fe和不可避免的杂质；钢板屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥500MPa，伸长率≥25%，屈强比≤0.90，-20℃横向冲击功≥120J。

一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板的制备方法，包括以下步骤：

（a）转炉吹炼: 一次拉碳至终点要求的碳范围。

（b）LF、RH精炼处理：LF采用CaC₂等造渣料造渣，配加钛铁合金一次到位；配加钛铁合金要求在RH处理工序加入，加入量按照0.9-1.8公斤/吨钢控制。

（c）板坯连铸：使用高碱度覆盖剂，连铸阶段采用强冷模式，二冷水的比水量比通用型钢增加30%。

（d）加热阶段：钢坯加热按1.1-1.3min/mm控制，均热温度比通用型钢增加30-50℃。

（e）轧制阶段：中间坯冷却时待温度≤900℃开始精轧，终轧温度820-860℃。

（f）冷却阶段：轧制后的钢板直接进行水冷处理，开冷温度Ar3+20～50℃，终冷650-700℃，采用弱水冷进行冷却，弱水冷是指冷速控制在4-8℃/s。

实施例1

一种高Ti含量厚钢板，化学成分含量按重量百分比为：C=0.06%，Si=0.10%，Mn=0.85%；P=0.009%，S=0.001%，Al=0.045%，Ti=0.09%，Nb=0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质。

钢板的生产方法如下：

（a）转炉吹炼操作时一次拉碳成功，终点碳C=0.05%。

（b）该钢经过LF、RH处理，且LF采用CaC₂等造渣料造渣，避免Al系造渣料引起的夹杂物产生，一次配加钛铁合金1.4公斤/吨钢。

（c）连铸使用高碱度覆盖剂，参照通用型钢的二冷水模型，整体增加水量25%。

（d）铸坯重新加热按1.25min/mm控制，参照通用型钢的均热温度控制，提高该钢的均热温度40℃。

（e）两阶段轧制时，控制中间坯温度在880℃开始精轧，终轧温度855℃。

（f）轧制后的钢板在线水冷的开冷温度Ar3+40℃，终冷680℃，冷速6℃/s。

所生产的16mm钢板的机械性能：屈服强度452MPa，抗拉强度528MPa，伸长率28.5%，屈强比0.856，-20℃平均横向冲击功达到156J。16mm板厚1/2处金相组织图如图1所示。

实施例2

一种高Ti含量厚钢板，化学成分含量按重量百分比为：C=0.04%，Si=0.06%，Mn=0.93%；P=0.008%，S=0.002%，Al=0.050%，Ti=0.11%，Nb=0.022%，V=0.015%，其余为Fe和不可避免的杂质。

钢板的生产方法如下：

（a）转炉吹炼操作时一次拉碳成功，终点碳C=0.03%。

（b）该钢经过LF、RH处理，且LF采用CaC₂等造渣料造渣，避免Al系造渣料引起的夹杂物产生，一次配加钛铁合金1.7公斤/吨钢。

（c）连铸使用高碱度覆盖剂，参照通用型钢的二冷水模型，整体增加水量30%。

（d）铸坯重新加热按1.3min/mm控制，参照通用型钢的均热温度控制，提高该钢的均热温度50℃。

（e）两阶段轧制时，控制中间坯温度在860℃开始精轧，终轧温度820℃。

（f）轧制后的钢板在线水冷的开冷温度Ar3+20℃，终冷650℃，冷速7℃/s。

所生产的50mm钢板的机械性能：屈服强度484MPa，抗拉强度586MPa，伸长率26%，屈强比0.826，-20℃平均横向冲击功达到127J。50mm板厚1/2处金相组织图如图2所示。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (1)

1.一种综合性能优异的高Ti含量厚钢板，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：0.03%～0.06%的C；0.02%～0.20%的Si；0.50%～1.00%的Mn；P≤0.012%；S≤0.005%；0.035-0.065%的Al；0.06-0.12%的Ti；Nb、V中的一种或两种，重量百分比为0-0.030%；其余为Fe和不可避免的杂质；钢板屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥500MPa，伸长率≥25%，屈强比≤0.90，-20℃横向冲击功≥120J；

综合性能优异的高Ti含量厚钢板的制备方法，包括以下步骤：

（a）转炉吹炼: 一次拉碳至终点要求的碳范围；

（b）LF、RH精炼处理：LF采用CaC₂造渣料造渣，配加钛铁合金一次到位，配加钛铁合金要求在RH处理工序加入，加入量按照0.9-1.8公斤/吨钢控制；

（c）板坯连铸：使用高碱度覆盖剂，连铸阶段采用强冷模式，连铸阶段二冷水的比水量比通用型钢增加30%；

（d）加热阶段：钢坯加热按1.1-1.3min/mm控制，均热温度比通用型钢增加30-50℃；

（e）轧制阶段：中间坯冷却时待温度≤900℃开始精轧，终轧温度820-860℃；

（f）冷却阶段：轧制后的钢板直接进行水冷处理，开冷温度Ar3+20～50℃，终冷650-700℃，采用弱水冷进行冷却，弱水冷是指冷速控制在4-8℃/s。

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